體目標水面雷達靶的設計與實現*

王海濤 付 軍 劉華軍

(91550部隊93分隊 大連 116023)

體目標水面雷達靶的設計與實現*

王海濤 付 軍 劉華軍

(91550部隊93分隊 大連 116023)

體目標水面雷達靶可以真實地模擬海上目標的電磁散射特性。介紹了特定水面艦艇的模型CAD設計、模型制作和幾何建模方法,對縮微模型室內電磁散射測量和理論計算結果進行了比對。體目標雷達靶使用多個各類反射器實現特定目標的RCS模擬,給出了海上測試與理論計算的比對結果。體目標雷達靶具有模擬目標種類多、操作簡單和維修性好等優點,在實際靶場使用中取得了較好效果。

水面靶標;體目標;雷達散射截面;模擬

Class NumberTP391.9

1 引言

海上水面雷達靶的目標模擬特性是衡量反艦武器系統在實戰條件下作戰效能如何的一個重要尺度。現代水面作戰艦艇具有機動和隱身性能好、抗打擊手段多等特點,要求靶標建設從實戰出發,提高模擬真實目標的能力,以全面檢驗和考核反艦武器系統的實戰性能[1]。

現役水面雷達靶,模擬目標散射特性的手段是采用一個中心反射體,模擬的目標特性為點目標,只是從目標散射能量上模擬真實目標。點靶由于散射中心及能量集中在一點,使得反艦武器命中精度相對很高,卻無法考核反艦武器制導系統存在目標角閃爍情況下的命中精度。

體目標雷達靶是根據典型水面艦艇目標的幾何形狀及構造,對其散射特性進行測量和分析,確定其雷達散射特性。然后利用各種反射器,在船體上按照真實目標的散射特性分布規律進行組合拼裝,以實現雷達靶與模擬對象在雷達散射特性上的一致性。由于體目標雷達靶是對真實目標散射能量、散射中心分布及形體等多個特征進行模擬,因此在實際使用效果上,體目標靶要優于點靶。

2 真實目標水面艦船雷達散射特性實驗室建模與計算

現代水面艦船外形結構復雜,雷達散射特性由多個散射中心產生,并隨來襲武器的方位、俯仰的不同隨時變化[2]。要真實模擬水面艦船目標,首先必須獲得其真實的雷達散射特性。但是對于大多數艦船,尤其是敵方艦船來說,海上實際RCS測試的方式并不可行。目前主要還是采用實驗室CAD設計與模型制作、幾何建模、模型室內電磁散射測量、建模模型理論計算分析等方法進行。

2.1 真實目標水面艦艇模型CAD設計與模型制作

在搜集整理真實目標水面艦艇詳盡資料的基礎上,繪制船體型線圖和總布置圖的CAD圖。在上述基礎上,完成艦炮、導彈發射架、魚雷發射管、艦載雷達、舾裝等部分的制圖。然后在計算機上,將船體及上層建筑沿基線方向進行了一定密度的剖分(20～60站不等),記錄每個剖面上的特征點坐標,再結合各種艦船水面上建筑的表面特征,以ASCII碼的形式匯總,便形成了完整的艦船外形參數,將艦體特點及其總布置全貌做出準確的、全面的描述。

典型艦體物理模型及所有零部件按比例縮微1∶50,依照圖紙制作。艦身、甲板、艦橋、導彈發射架、炮塔、桅桿及艦載雷達等的制作材料全部按照實際情況模擬,采用金屬制作;其中艦載雷達罩采用透波材料制作,以達到仿真效果。各組件均固定在艦體上。模型表面按實際顏色涂金屬色漆。艦體內部相應地做防銹處理。

圖1 真實目標幾何模型

2.2 真實目標水面艦艇模型幾何建模

在計算機上針對水面艦艇船體和上層建筑復雜的結構以及眾多的艦上裝備,對真實幾何模型結構提出分級描述的方法,即按船體及艦上裝備的不同外形結構,先對整艦進行分解,分解成若干個組件,諸如船體、艦橋、艦載雷達、導彈發射架、桅桿等,而上述組件中有的又可分解成各種幾何單元。通常是在組件或組件的幾何單元上進行網格劃分,這樣建模即方便又準確。這個方法把真實目標水面艦艇幾何模型結構分成以下三級:

·目標級外形結構是指整艦;

·組件級外形結構是指艦橋、艦載雷達、桅桿等;

·單元級外形結構是指導彈的底座、發射架等。

對水面艦艇的組件級和單元級的外形結構進行剖分,在其中形成若干剖面。然后在每個剖面上,根據外形結構的特點確定若干形值點,給定這些形值點的坐標值。依照該艦的特定結構,把拆解的組件搭建成整艦,由組件上形值點數據的總和就形成了該艦幾何模型的剖面數據,在此基礎上,對組件級幾何外形表面上進行網格劃分,形成網格的幾何模型。采用UG技術對該級艦進行三維造型。圖1給出了真實目標幾何模型在一個觀察方向上的三維造型。

2.3 艦船電磁散射計算方法

對艦表面上的一次散射,用面元法進行分析與計算。先用外形剖分形成的網格模型的頂點構成三邊形面元,再通過物理光學理論來求解面元的散射場。物理光學理論通過雷達照射目標產生的表面電流感應場的物理光學積分而求得散射場,物理光學積分可以變換為圍線積分進行數值計算。

對于艦表面上的M個面元,其總散射場是通過M個面元經遮擋計算后的若干面元的散射場在目標坐標系進行矢量疊加。

對艦上凸凹部位的多次散射,用若干個諸如兩面角、三面角、頂帽、淺底空腔和深底空腔的體素進行分析與計算。多次散射場是通過N個體素經遮擋計算后的若干體素的散射場在目標坐標系進行矢量疊加。

把艦表面的一次散射場與艦上的多次散射場進行疊加,得到目標艦船的總散射場。在上述理論分析的一次散射計算中計及了幾十個組件,多次散射計算中采用了各個不同組件及其不同部位上的上百個體素[3]。

2.4 目標艦物理模型電磁散射測量和計算結果分

析比對

在微波暗室對目標艦物理模型進行了點頻RCS的測量,測量頻率為35GHz,擦地角分別為0°、20°、30°、40°,方位角范圍是 0°～360°,方位角間隔為0.2°。在同樣的測量參數和目標尺寸下用目標艦理論模型進行計算[4]。對擦地角為 0°、20°、30°、40°四種狀態下的計算和測量的各四組數據(每組1801個數據),按照GJB3830-99《目標雷達散射截面數據格式要求》,對計算數據和測量數據分別進行窗口長度為5°、滑動步長為1°的平滑處理,得到四種狀態下的的計算和測量的各四種均值數據(每組361個均值數據),對四種狀態下的計算和測量的均值數據做點對點均方根處理,得到四種狀態下的均方根誤差值,如表1所示。

表1 目標艦實驗室測試值與理論計算值均方根誤差(dB)

把上面對比結果直接作為模型的精度來驗證理論模型有其局限性。對于1∶50物理模型,如果做精度意義下的校模,那么按照縮比定律,測試頻率應達到850GHz以上,在目前測試條件下是不可能實現的。然而,目標艦1∶50模型長約3m,測試Ka波段的波長為毫米級,目標尺寸遠大于測試波段波長,仍為電大尺寸,所以1∶50模型的測試與計算結果仍能體現該目標的高頻電磁散射特點。在此前提下,室內測試結果對理論計算進行驗證具有一定的參照意義,意義在于通過這樣的比對,有助于分析并找出艦上哪些是強散射中心,及這些強散射中心在艦上的分布,這樣可對建模方法做有效的檢驗,使理論模型更接近于目標電磁散射的實際情況。由于點頻RCS測試與計算的結果主要反映了該目標上強散射中心的幅度變化,就目標艦1∶50模型頻率點35GHz的測試與計算的對比結果數據說明:理論模型準確地反映了該艦上的強散射中心。

圖2 RCS計算與測量的均值對比曲線(頻率 35GHz,擦地角 0°)

根據以上工作,可得到典型目標 RCS數學模型,主要包括目標船主要散射中心分布、RCS分布特性分析預估、縮比模型測量數據及分析結果。

3 體目標雷達靶模擬的實現與海上測試

3.1 雷達靶單元模擬器組合方案設計

體目標雷達靶采用的反射器單元類型有三角形三面角反射器、圓角形三面角反射器、正方形三面角反射器、帶調接板的正方形三面角反射器及其組合:八聯裝的三角形三面角反射器或八聯裝的正方形三面角反射器。各種角反射器各有其特點,比如正方形三面角反射器的優點是在直角邊長相同的條件下正方形三面角反射器的RCS值最大因而體積較小重量較輕,但缺點是使用中較易發生變形。實際使用可根據需要選用。

體目標雷達靶的散射特性模擬由上述不同種類和數量的反射器單元組成。根據目標艦RCS數學模型,首先利用目標特性分析設計軟件得出特定目標的靶標反射器組合方案庫,包括使用的反射器單元的種類、數量和各自室的空間分布。然后根據反射器組合方案庫,將各種規格的模擬單元安裝在雷達靶的靶桿或支架上。模擬器單元的安裝接口采用模塊化設計,便于組合拼裝和使用,具有良好的互換性。圖3所示為組裝完畢的一種體目標雷達靶反射器組合。

圖3 體目標雷達靶反射器組合

圖4 雷達靶岸基海上測試方法幾何俯視圖

3.2 體目標雷達靶海上測試及結果分析

體目標雷達靶岸基海上雷達散射特性測試方法具體如圖4所示。θ為RCS測試系統照射天線的3dB寬度,方位角a為艦首方向偏離中心波束的角度,R1為天線到組合靶中心的水平距離,R2為3dB波束在組合靶中心位置的橫向擴展線度。測量系統設在海邊的小山上,海拔高度約在100m。雷達靶在海上寬闊水域拋錨定位后,測量系統通過同軸光學儀器對海上目標搜索,海上測試時以雷達靶為中心半徑1000m區域內應無其它水面目標。雷達靶船體依靠自身側推裝置進行360°旋轉圓周運動,船位不能超過雷達波束的橫向擴展線度。帶有GPS測量并采集自身的位置與航向數據,供事后數據處理使用。測試時利用氣球懸掛定標球的方式進行標定[5]。

采用岸基海上測量方式,在俯仰2.5°條件下對雷達靶進行全方位RCS測試,相當于俯仰-15°～30°范圍內的一個切口數據,并在該切口進行測試與設計的比較,以驗證設計的準確性。在相同狀態下平滑后的設計數據與測試數據的比對見圖5。從曲線的對比中可以看到,雷達靶點頻RCS的測量與計算結果在量級和變化趨勢上基本保持一致。

圖5 雷達靶一種組合測試數據與計算數據平滑前后比較

4 結語

體目標水面雷達靶克服了點源雷達靶的缺點,構成了多散射中心的分布,提高了模擬逼真度。此雷達靶已成功地應用于某反艦武器試驗,具有模擬目標種類多、逼真性高、裝配、拆卸簡單和維修性好等優點,在實際靶場使用中取得了良好的效果。

[1]王文斌.海軍裝備試驗靶標技術[M].北京:國防工業出版社,2007

[2]黃培康.雷達目標特性[M].北京:電子工業出版社,2004

[3]阮穎錚.雷達截面與隱身技術[M].北京:國防工業出版社,1998

[4]張居風,馮德軍,王雪松.雷達目標動態RCS仿真研究[J].系統仿真學報,2005(4)

[5]何國瑜,蘆才成,等.電磁散射的計算和測量[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006

Design and Realization of a Volume Distributive Target Ship

Wang Haitao Fu Jun Liu Huajun
(Unit 93,No.91550 T roops of PLA,Dalian 116023)

Volume distributive target radar vessel can simulate ship's RCS characeristic in a truthful way.A warship size-reduced model CAD design,model fabrication and geometry model method is introduced,the result of the model laboratry RCS range test and computer-based theory calculations is presented.The simulation of volume distributive target radar vessel to the warship is realized by some kinds of radar reflectors,the measurement data of the target vessel RCS range test at open sea is compared with RCS theory calculations.The application of the target ship has the advantage of multi-class maritime targets RCS simulation,simple operation and easy maintaining,it has gained in effect in the course of engineering sea test.

target vessel,volume distributive target,radar cross section,simulation

TP391.9

2010年9月17日,

2010年10月16日

王海濤,男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:水面靶標技術。